DE3711814A1 - Elektronisches vorschaltgeraet zum betrieb von leuchtstofflampen - Google Patents
Elektronisches vorschaltgeraet zum betrieb von leuchtstofflampenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Vorschaltgerät
zum Betrieb von Leuchtstofflampen. Ein
derartiges Gerät enthält eine Gleichrichterschaltung,
an der die Netzwechselspannung angelegt wird. In einem
Zerhackerkreis wird die Ausgleichsspannung der
Gleichrichterschaltung mit einer im Vergleich zur
Netzspannung wesentlich höheren Frequenz in eine
Impulsfolge zerhackt, die über eine strombegrenzende
Vorrichtung an die einen Enden der beiden Lampenelektroden
angelegt wird, deren jeweils andere Enden
mit einem Zündkreis verbunden sind.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer derartigen
bekannten Schaltung, wie sie beispielsweise realisiert
ist in "Elektronikschaltungen", Walter Hirschmann;
Berlin, München; Siemens AG; 1982, 147-148.
Gemäß Fig. 1 wird die Netzspannung mit üblicherweise
228 Veff 50 Hz an ein Filter angelegt, dessen Ausgang
mit einer Gleichrichter-/Siebschaltung verbunden ist,
an deren Ausgang beispielsweise 320 V Gleichspannung
anstehen, die an einen üblichen Startkreis gelegt
werden, der diese Gleichspannung zu einem Zerhacker
durchschaltet, der eine Impulsfolge mit einer
beispielsweisen Frequenz zwischen 1 kHz und 1 MHz und
einer Amplitude von 310 VSS abgibt. Diese Impulsfolge
wird über eine Strombegrenzungsdrossel an die einen
Enden der beiden Lampenelektroden der Leuchstofflampe
angelegt, deren beide anderen Enden mit einem
Zündkreis verbunden sind, der beispielsweise einen
Kondensator von einigen nF aufweist.
Je nach Bauform und Gasfüllung haben Leuchtstofflampen
Lampenbrennspannungen zwischen 30 und 150 Veff. Je
nach Kurvenform ist die Spitze-Spitze Spannung der zum
Betrieb der Leuchtstofflampe verwendeten Hochfrequenzwechselspannung
U L etwa um einen Faktor 3 höher als
die Lampenbrennspannung, d. h. bei Werten zwischen 90
und 450 VSS. Bei den bekannten Schaltungen gemäß Fig.
1 muß die Netzspannung für den Lampenkreis stets höher
als die maximale Lampenbrennspannung sein.
Probleme ergeben sich dabei bei sogenannten Mittelvoltnetzen
von beispielsweise 100 oder 120 Veff, da
dann nur eine gesiebte Gleichspannung von ca. 130 bzw.
160 V zur Verfügung steht. Nach dem Zerhacken können
damit nur Leuchtstofflampen mit einer niedrigen
Lampenbrennspannung beispielsweise kleiner als 100 VSS
mit einer strombegrenzenden Drossel ohne weitere
Maßnahmen betrieben werden. Nur dann ist die
Netzspannung noch etwas höher als die Lampenbrennspannung.
Wegen der negativen Impedanzcharakteristik von
Leuchtstofflampen ergibt sich bereits dann, wenn die
Lampenbrennspannung U LSS nur wenig unter der
zerhackten Gleichspannung U SS liegt, ein instabiler
Betrieb, da nur eine strombegrenzende Drossel mit sehr
kleiner Induktivität verwendet werden kann. Lampen mit
Lampenbrennspannungen, die höher sind als die
Netzspannung, also mit Lampenbrennspannungen von
beispielsweise 120 bis 450 VSS, lassen sich mit der
einfachen Strombegrenzung mittels einer Drossel
überhaupt nicht betreiben.
Es ist zwar möglich, die Gleichspannung durch eine
Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung heraufzusetzen,
wie sie als Villard- oder Delon-Schaltung
bekannt ist, (vergleiche "Bauelemente der Elektronik
und ihre Grundschaltungen", Böser, Kähler, Weigt, 7.
Auflage, S. 220). Hierbei muß jedoch die Kapazität der
beiden verwendeten Elektrolytkondensatoren verdoppelt
werden oder es erhöht sich die 50- oder 100 Hz-
Brummspannung, d. h., daß sich die Lichtstrommodulation
erhöht.
Andererseits besteht die Möglichkeit, die zerhackte
Rechteckspannung mittels eines Transformators zu
erhöhen, wie dies beispielsweise im vorgenannten Buch
"Elektronikschaltungen" von W. Hirschmann, S. 144,
gezeigt ist. Der Nachteil dabei ist, daß ein weiteres
bewickeltes Bauelement mit entsprechend höheren Kosten
verwendet werden muß und zusätzliche Verluste
auftreten, so daß sich eine niedrige Systemlichtausbeute
ergibt.
Bereits aus der US-PS 45 44 863 ist ein Vorschaltgerät
für Leuchtstofflampen bekannt, in welchem die
anliegende Netzspannung mit vergleichsweise niedriger
Frequenz in eine zum Betrieb geeignete hochfrequente
Spannung umgewandelt wird. Diese hochfrequente
Spannung wird an die Leuchtstofflampe über eine Spule
und einen Kondensator, welche in Serie geschaltet
sind, angelegt. Allerdings arbeitet diese vorbekannte
Schaltung mit einem fremdgesteuerten Schwingungserzeuger,
was eine genaue Dimensionierung der Bauteile
des Vorschaltgerätes bedingt und woraus eine
unflexible Schaltung resultiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in
Selbsterregung arbeitendes und somit flexibles
elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von
Leuchtstofflampen anzugeben, bei dem mit einfachsten
Mitteln die Versorgungsspannung für den Lampenkreis
derart erhöht werden kann, daß sich ein zufriedenstellender
Betrieb ergibt. Insbesondere können auf
diese Weise Lampen mit höherer Lampenbrennspannung aus
Mittelvoltnetzen mit besten Ergebnissen betrieben
werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die am Ausgang der Strombegrenzungsschaltung
anstehende Spannung vor dem Anlegen an die Leuchtstofflampe
erhöht wird. Diese Spannungserhöhung
erfolgt gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der
erfindungsgemäßen Schaltung unter Verwendung eines
LC-Resonanzkreises, wobei die Leuchtstofflampe
parallel zu dem Kondensator des Resonanzkreises liegt.
Andere bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
elektronischen Vorschaltgerätes ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Vorschaltgeräte ermöglicht
infolge der Selbsterregung eine automatische
Anpassung, wodurch in gegenüber dem Stand der Technik
vorteilhafter Weise ein Vorschaltgerät mittels einer
geringeren Anzahl von Bauelementen, bei denen keine
genaue Dimensionierung notwendig ist, zur Verfügung
gestellt werden kann. Dadurch resultiert ein
robusteres und kostengünstiger herzustellendes Gerät.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen
elektronischen Vorschaltgerätes ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten elektronischen
Vorschaltgerätes,
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des
Prinzips eines erfindungsgemäßen elektronischen
Vorschaltgeräts,
Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Vorschaltgeräts.
Fig. 4 eine konkrete Ausführungsform für ein
erfindungsgemäßes Vorschaltgerät mit einem
nicht näher dargestellten Triggerkreis sowie
einem ebenfalls nicht näher dargestellten
Zündkreis und
Fig. 5 die Ausführungsform gemäß Fig. 4 mit konkret
ausgeführtem Triggerkreis und Zündkreis.
Fig. 2 zeigt den lampennahen Teil eines erfindungsgemäßen
elektronischen Vorschaltgeräts gemäß einer
ersten Ausführungsform. Am Eingang des Zerhackerkreises
18 liegt eine gesiebte Gleichspannung U G von
100 bis 160 V an, die von einer Mittelvolt- Netzwechselspannung
zwischen 75 und 120 Veff durch
Gleichrichtung und Siebung abgeleitet wurde. Der
Zerhackerkreis 18 gibt eine Rechteckimpulsfolge mit
einer Spannung U SS zwischen 100 und 160 VSS an eine
Strombegrenzungsschaltung 20, bevorzugt eine Drossel,
ab, an deren Ausgang die veränderte Impulsfolge U L
auftritt, die bei der bekannten Anordnung an die Lampe
26 angelegt wird. Erfindungsgemäß wird jedoch zwischen
die Strombegrenzungsschaltung 20 und die Lampe 26 eine
Spannungserhöhungschaltung 30 eingefügt, an deren
beiden Eingängen die Spannung U L angelegt wird,
während ihre beiden Ausgänge mit den einen Enden 22
bzw. 24 der Lampe 26 verbunden sind. An der Lampe
liegt somit eine für den Betrieb der Lampe
ausreichende erhöhte Lampenversorgungsspannung U L ′ an.
Wie bei dem bekannten Vorschaltgerät sind die anderen
Enden der beiden Lampenelektroden 22, 24 an einen
Zündkreis 28 gelegt.
Fig. 3 zeigt im einzelnen den sehr einfachen Aufbau
der Spannungserhöhungsschaltung, die lediglich darin
besteht, daß zu der bereits für die Strombegrenzung
vorhandenen Drossel 32 mit einer Induktivität L Dr von
beispielsweise 1,7 mH zur Bildung eines Resonanzkreises
ein Kondensator 34 mit einer Kapazität C R von
beispielsweise 3.3 nF zugeschaltet wird. Gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Kondensator 34
eingangsseitig an der Lampenelektrode 24 der Lampe 26
angeschlossen, während die Lampenelektrode 22 mit der
Primärwicklung des Ansteuertransformators 38 verbunden
ist. Der Kondensator 34 ist dabei an den Verbindungspunkt
42 zwischen einer Drossel 32 und der Primärwicklung
des Ansteuertransformators 38 angeschlossen.
Fig. 3 zeigt ferner wiederum einen Zerhackerkreis 18,
dessen einer Ausgang mit dem einen Anschluß des
Kondensators 34 und dem einen Ende der Lampenelektrode
24 verbunden ist, während sein anderer Ausgang über
einen Trennkondensator 36 mit der Drossel 32 in
Verbindung steht.
Durch die Anordnung des Reihenresonanzkreises 32, 34
und des Ansteuertransformators 38 wird in der hier
gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
elektronischen Schaltgeräts für den Zerhackerkreis 18
über den Ansteuertransformator 38 ein entsprechendes
Rückkopplungssignal gewonnen.
Bei Lampenabschaltung oder -ausfall wird die
Rückkopplungsfunktion des Ansteuertransformators 38
unterbrochen und der Zerhackerkreis 18 wird abgeschaltet.
Das bedeutet, daß sich das elektronische
Vorschaltgerät automatisch abschaltet, wenn die Lampe
fehlt oder defekt ist, zum Beispiel ein Wendelbruch
auftritt.
Das erfindungsgemäße elektronische Vorschaltgerät nach
Fig. 3 arbeitet wie folgt:
Die Arbeitsfrequenz des Vorschaltgerätes bzw. deren
Vielfache liegen in der Nähe der oder auf der Grundresonanzfrequenz
des Reihenresonanzkreises:
Der Resonanzkreis enthält abhängig von seiner
Dimensionierung eine bestimmten Energie W, und zwar
abwechselnd im elektrischen und im magnetischen Feld.
Für die Spannung am Kondensator 34, d. h. am Eingang
der Lampe 26 gilt
Dabei ist die Höhe der Spannung am Kondensator 34
abhängig von der Zerhackerausgangsspannung U SS und dem
Verhältnis L Dr /C r .
Es zeigt sich somit, daß die Lampe 26 problemlos mit
einer Versorgungsspannung U L ′ gespeist werden kann,
die höher als jede Lampenbrennspannung ist.
Die zur Zündung der Leuchtstofflampe 26 erforderliche,
noch höhere Spannung ist ebenfalls leicht erreichbar:
Hat der Zündkreis kapazitiven Charakter, dann ergibt
sich aufgrund der Parallelschaltung der beiden
Kondensatoren eine erhöhte Kapazität C = C R + C Z und
damit eine entsprechend niedrigere zweite Resonanzfrequenz.
Nach der Zündung wird der Resonanzkreis 32,
34 durch die Lampenersatzimpedanz bedämpft und die
Spannung am Kondensator 34 durch die Lampenparameter
bestimmt, wobei die Güte des Resonanzkreises 32, 34
automatisch auf den gewünschten Wert abfällt.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts, in der der
Trennkondensator 36 zwischen die Lampenelektrode 22
und den Ansteuertransformator 38 gelegt ist. Anhand
dieses Ausführungsbeispiels sind auch die Bauteile der
zuvor nur in Blockschaltbild dargestellten Schaltungsteile
ausgeführt. Es handelt sich um eine freischwingende
Gegentakt-Halbrückenschaltung mit zwei
bipolaren Schalttransistoren. C 1 und FeDr dienen zur
Funkentstörung. Durch Gleichrichtung und Siebung wird
aus der Netzspannung eine Gleichspannung von ca 160 V
zur Versorgung der Halbbrücke erzeugt. Der Triggerkreis
16 startet den Schwingvorgang der Gegentaktstufe
durch einen einmaligen Puls. Am Mittelpunkt der
Transistoren T 1 und T 2 entsteht eine nahezu rechteckförmige
Hochfrequenzspannung von 160 VSS gegenüber dem
Plus- bzw. dem Minus-Pol. Die entstehende Frequenz
richtet sich nach dem Zustand des Lastkreises.
Im Anlaufbetrieb entsteht eine Serienresonanz aus der
Drossel 32 mit L 1 und der Parallelschaltung aus dem
Kondensator 34 mit C res und dem kapazitiven Anteil des
Zündkreises 28. Diese Kapazität beträgt beispielsweise
6 nF. In Serie dazu liegt der Gleichspannungstrennkondensator
36 mit der Kapazität C 6 von 47 nF. Da die
Kapazität C 6 des Gleichspannungstrennkondensators mit
47 nF vergleichsweise groß ist, beträgt die resultierende
Kapazität nach wie vor ca. 6 nF. Weiter in
Serie zum Zündkreis 28 liegt die Primärwicklung RK 1 a
des Ansteuertransformators 38 und die Elektrode 22 der
Leuchtstofflampe 26. Der Ansteuertransformator 38
steuert über seine Sekundärwicklungen RK 1 b und RK 1 c je
eine Halbbrücke und sorgt so für eine Aufrechterhaltung
der stationären Schwingung. Der oben
beschriebene Resonanzkreis wird nur durch die
Elektrode in einem Zweig schwach bedämpft. Daher
ergibt sich, wie zuvor schon erläutert, eine
Arbeitsfrequenz automatisch sehr nahe bei der
Grundresonanzfrequenz des Reihenresonanzkreises.
In der zweiten Phase verkleinert sich der kapazitive
Anteil des Zündkreises auf ca. 3 nF. Dadurch nimmt der
Heizstrom und somit gleichzeitig die Dämpfung ab. Das
ergibt eine deutliche Erhöhung der Kreisgüte und vor
allem der Spannung an der Lampe. Dieser Vorgang
verstärkt sich, bis die Zündspannung der Leuchtstofflampe
26, die zuvor optimal vorgeheizt ist, erreicht
wird und die Bogenentladung einsetzt. In diesem Moment
wird die höchste Frequenz erzeugt.
Im Betrieb wird der Resonanzkreis durch die relativ
niederohmige Bogenentlandung bedämpft. Die Frequenz
ist deutlich niedriger als die Resonanzfrequenz.
Dennoch ist die Wirkung des Resonanzkreises stark
genug, um eine Leuchtstoofflampe betreiben zu können,
deren Spitzenbrennspannung deutlich über der
Versorgungsspannung liegt. Das ist im rein induktiven
Betrieb nicht möglich.
Zur Erzeugung dieses bedämpften Resonanzbetriebs ist
also neben der schon vorhandenen Strombegrenzungsdrossel
32 nur ein Kondensator 34 notwendig.
Entscheidend ist es, daß sich die Frequenz in der
beschriebenen freischwingenden Schaltung automatisch
den Erfordernissen anpaßt. Im Vorheizbetrieb steigt
die Frequenz von ca. 40 kHz kontinuierlich bis zum
Erreichen der Zündspannung bei etwa 50 kHz, um dann im
Betrieb auf 35 kHz abzufallen.
Um zu verhindern, daß bei Ausfall der Leuchtstofflampe
26 die Schaltung in einem unbedämpften Resonanzbetrieb
fällt, der durch hohe Leistungsaufnahme den
Schwinger zerstört, muß, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
schon erläutert, eine Abschaltung
vorgesehen werden. Das wird auch hier dadurch
erreicht, daß die Primärwindung des Ansteuertransformators
36 nur von Lampen- und Heizstrom durchflossen
wird. Auch in dieser Ausführungsform wird die
Primärwicklung RK 1 a also hinter die Verzweigung des
Kondensators 34 gelegt. Somit ist auch in dieser
Ausführungsform beim Lampenausfall keine Rückkopplung
der Schwingung vorhanden, so daß der Generator in
einem sicheren Zustand stoppt.
Die Fig. 5 entspricht dem Ausführungsbeispiel der
Fig. 4, wobei jedoch ein konkret ausgeführter
Triggerkreis und ein konkret ausgeführter Zündkreis
angegeben sind. Die Ausführung des Triggerkreises
entspricht der Literaturstelle "Elektronikschaltungen"
von W. Hirschmann auf den Seiten 148 bzw. 150 und die
konkrete Ausführung des Starterkreises entspricht der
DE-OS 34 41 992.
Claims (7)
1. Elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von
Leuchtstofflampen mit einer Gleichrichterschaltung
für eine Netzwechselspannung und einem Zerhackerkreis,
der die gleichgerichtete Spannung mit einer
im Vergleich zur Netzspannung erheblich höheren
Frequenz in eine Impulsfolge zerhackt, die über
eine strombegrenzende Vorrichtung an die einen
Enden der beiden Lampenelektroden gelegt wird,
deren andere Enden mit einem Zündkreis verbunden
sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die strombegrenzende Vorrichtung (20)
und die Lampenelektroden (22, 24) eine Spannungserhöhungsschaltung
(30; 32; 34) eingefügt ist.
2. Gerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungserhöhungsschaltung aus einem LC-
Resonanzkreis besteht.
3. Gerät nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Resonanzkreis ein Reihenresonanzkreis ist.
4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (34) des LC-Resonanzkreises
über die eingangseitigen Enden der Lampenelektroden
(22, 24) gelegt ist.
5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Induktivität des LC-Resonanzkreises eine
als strombegrenzenden Vorrichtung verwendete
Drossel (32) ist.
6. Gerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Drossel (32) in Reihe mit einem Rückkopplungsansteuerungstransformator
(38) für den
Zerhackerkreis (18) geschaltet ist.
7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mit der Drossel (32) verbundene Anschluß
(42) des Kondensators (34) über den Rückkopplungsansteuertransformator
(38) mit einem eingangsseitigen
Ende der Elektrode (22) der Leuchtstofflampe
(26) verbunden ist, während sein anderer
Anschluß direkt an dem anderen eingangsseitigen
Ende der Elektrode (24) anliegt, das mit dem einen
Ausgang des Zerhackerkreises (18) verbunden ist,
wobei der freie Anschluß der Drossel (32) am
anderen Ausgang des Zerhackerkreises (18)
angeschlossen ist.
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